第二章-焊接力学分析2

2.3热变形与应力内应力：是在没有外力作用的条件下平衡于物体内部的应力。其主要特点是在物体内部构成平衡的力学系统，即内力之和与内力矩之和为零。内应力按照其分布的尺度范围可分为三类：（1）第一类内应力：又称为宏观内应力（2）第二类内应力：又称为微观内应力（3）第三类内应力：又称为超微观内力,根据内应力的存在时间又可分为：瞬时内应力和残余应力。热变形：当物体的温度发生变化时，其尺寸和形状就会发生变化。微元体体积变化率式中，V为体膨胀系数。,同样可定义线膨胀量式中，为金属的线膨胀系数（以下称热膨胀系数）,典型材料的热膨胀系数,一、均匀加热（1）杆件处于自由状态热应变：由于温度发生改变，构件单位长度产生的变形量。长度方向热应变直径方向热应变,圆柱体杆件,d0,（2）杆件处于约束状态将此杆件固定于两端刚性壁中，径向无约束长度方向：全约束，即长度方向的热应变是压缩的，存在压应力,完全约束,自由变形、外观变形和内部变形(a)自由变形：没有受到外界的任何阻碍而自由进行的变形(b)外观变形：物体的自由变形受到外界的阻碍而只能部分表现出来的变形部分Le内部变形：物体的自由变形受到外界的阻碍而没有表现出来的那部分变形L（压缩变形为负）,杆件的热变形,自由变形率：单位长度上的自由变形外观变形率：单位长度上的外观变形内部变形率：单位长度上的内部变形在弹性范围内，应力与应变满足虎克定律，即：,二、热循环中的应力与变形（均匀加热）受拘束金属杆件的模型基本假设：（1）材料的热物理参数不随温度变化,（2）屈服极限s与温度的假设关系（3）平截面假设（4）单轴应力假设,（1）内部应变小于屈服极限|s，Tmax600,【例1】确定低碳钢杆件在刚性拘束的情况下：1）加热时内部刚好出现压缩塑性变形的温度差；2）加热的温度差为多少时，在冷却至原始温度后内部刚好出现拉伸缩塑性变形。低碳钢E=2106kg/cm2=1210-6/Cs=2400kgf/cm2解：1）根据，在刚性拘束的情况下e=0得：2）在冷却至原始温度后，要使内部刚好出现拉伸缩塑性变形，则必须使加热时产生的压缩塑性变形量不小于s，即=2s。由=e-T得：T=2s。所以：,非完全刚性固定时金属棒中的应力与变形,三、不均匀加热（三等分平板、中间加热、两边保持原来温度）,不均匀温度场作用时，温度较高的部位受压，温度较低的部位受拉。若加热时没有发生塑性变形，当温度恢复到原始状态后，内应力和变形会消失；若产生了塑性变形，当温度恢复到原始状态后，会出现不均匀的塑性变形引起的残余应力和残余变形。由于塑性变形首先发生在高温、高应力区，因此，冷却时的残余应力、残余变形往往和加热时的应力、变形性质相反。,长板条中心加热(a)自由变形率T=T，=e-T,塑性变形,四、组织应力组织应力：金属冷却时，在刚性恢复温度之下产生相变导致体积变化而引起的应力，也叫相变应力。低碳钢，刚性恢复温度是600，奥氏体转变温度是600-700之间，600以下没有相变发生，故不存在组织应力。合金元素能降低金属的相变点，所以合金钢焊接时往往产生组织应力。,2.4焊接应力2.4.1焊接应力（weldingstress）一、焊接应力的分类（1）按作用方向分以焊缝轴线为基准（x）：纵向应力x（沿x轴方向）、横向应力y（垂直于x轴、沿着y轴），以及厚度方向应力z（沿z轴）（2）按产生原因分热应力（thermalstress）、组织应力（3）按存在时间分瞬时应力、残余应力（residualstress）,2.4.2焊接热应力一、熔焊过程中的温度场变化引起的焊接热应力的变化,二、板边堆焊焊件的焊接变形与应力变化过程,横截面平移到O点,2.4.3焊接残余应力一、焊接残余应力分布（1）纵向残余应力x焊缝长度的影响,b,板的宽度对纵向残余应力影响,不同宽度板的板边堆焊x的分布,平板对接焊接残余应力的几个关键点坐标材质的影响,（2）横向残余应力yy由焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩组成。y由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩引起。,1）纵向收缩所引起残余应力y（a)加热阶段（b）冷却阶段,焊缝长度,离焊缝越远，应力值越小,2）横向收缩不同时引起y原因：焊缝完成不同时先焊部分限制后焊部分的横向收缩y的演变过程,y的分布与焊接方向、分段方法及焊接顺序有关,分段退焊,从两边向中间焊,直通焊,从中间向两边焊,【实例】平板对接接头的y（自动焊）平板对接接头的y（手工焊）,（3）厚板中的残余应力,（4）拘束状态下焊接残余应力,（5）相变应力,（5）相变应力,二、典型焊件的残余应力分布（1）封闭焊缝的焊接残余应力,(2)焊接型材中的残余应力,(3)管对接焊的残余应力,2.4.4焊接残余应力的影响一、残余应力对静载强度的影响取决于材料的塑性性能,塑性材料无影响,脆性材料静载强度降低,二、焊接残余应力对刚度的影响构件的刚度tg=P/L=EA/LLLtg=P/L所以tgtg，刚度变小,三、残余应力对结构受压稳定性的影响（1）失稳的临界应力为：式中，E弹性模量；l受压杆件的自由长度；I杆件截面惯性矩；A杆件截面面积。式中，（l/r）长细比；r（）杆件截面惯性半径。,以工字梁为例加载前（K=2E/l2，腹板的惯性矩忽略不计）：加载后：BB，所以crcr，更容易发生失稳。,若内应力的分布与上述情况相反，即翼缘的两边为拉应力，使有效面积分布在远离中性轴的位置，则情况大有好转。内应力的影响只在一定长细比范围内的构件中起作用30150,四、残余应力对机械加工精度的影响措施：先消除焊接内应力再进行加工或调整机械加工工艺,五、残余应力对应力腐蚀开裂的影响应力越大，发生断裂的时间越短。反之，发生断裂的时间越长,2.5.6焊接应力的控制与消除一、调节焊接应力的措施（1）采用合理的焊接顺序和方向，尽量让焊缝能自由收缩,（2）减小接头的刚度（3）采用局部加热法,（4）锤击或碾压焊缝锤击法可使应力减小1/21/4,二、焊后消除的应力的措施（1）机械拉伸法（过载法）,（2）焊后热处理1）整体高温回火2）局部高温回火（3）温差拉伸法（4）振动法,200100,2.4.6焊接残余应